基于文獻計量的重金屬污染土壤生物修復研究發展態勢分析

劉喜 肖勁光 陳偉

摘要 基于文獻計量和文獻調研的方法，使用Cite Space軟件，對重金屬污染土壤生物修復技術研究領域的論文數據進行檢索統計和定量分析，系統梳理了該領域的發展趨勢，分析了主要國家、研究機構及學科分布情況，探索了潛在研究前沿及熱點問題。結果表明，高富集能力生物的篩選研究、現場試驗研究、修復效果持久性研究和典型污染物研究是該領域今后研究的主要熱點。

關鍵詞 土壤污染；重金屬；生物修復；文獻計量；Cite Space

中圖分類號 X53 文獻標識碼

A 文章編號 0517-6611（2018）13-0189-04

Development Trends of Bioremediation of Heavy Metal Contaminated Soils Based on Bibliometrics

LIU Xi1，XIAO Jinguang2，CHEN Wei1

（1.Power China Zhongnan Engineering Corporation Limited，Changsha，Hunan 410014；2.Hunan Zhongnan Water and Environmental Protection Technlylogy Corporation Limited，Changsha，Hunan 410014）

Abstract Relevant publications focusing on the research field of bioremediation of heavy metal contaminated soils were analyzed based on bibliometrics method and Cite Space software .The research trend of this field was overviewed systematically，the distribution of major research institutions，countries and subjects contributing to the publications were analyzed，and the research hotspots were explored.The analysis showed that screening of species possessing the ability to tolerate and accumulate heavy metals，field tests，persistent effects of bioremediation and typical pollutants research were the main research directions.

Key words Soil contamination；Heavy metal；Bioremediation；Bibliometrics；Cite Space

隨著工農業的快速發展和城市化進程的加快，土壤污染問題尤其是土壤重金屬污染日漸凸顯。根據全國第1次土壤污染調查公報，我國土壤污染總體狀況不容樂觀，部分地區土壤污染較重，農耕用地質量堪憂，工礦業搬遷后土壤問題嚴重。全國土壤污染總超標率為16.1%，土壤污染類型以無機型（即重金屬污染）為主，無機型超標點位數占全部超標點位的82.8%[1]。

土壤中重金屬污染的來源廣泛，主要包括礦山開采、金屬加工冶煉、化工、電子垃圾、制革和染料等工業排放的“三廢”及汽車尾氣的排放、污水灌溉、農藥和肥料的施用等[2-3]。土壤重金屬污染的危害主要表現在以下幾個方面：影響植物生長；不能為土壤微生物所分解，易于積累，影響土壤生物群的變化及物質的轉化；植物吸收并積累土壤中的重金屬，通過食物鏈進入人體，危害人體健康；導致水體和大氣環境質量下降。土壤重金屬污染具有隱蔽性、長期性和不易修復性的特點。因此，土壤重金屬污染的治理一直備受國內外研究者廣泛關注。

重金屬污染土壤修復的方法分為物理、化學和生物三大類方法以及上述方式組合形成的復合方法。生物修復法一般是指利用某些微生物和植物等的代謝活動，去除、轉移、提取和固定土壤中的重金屬，使其恢復土壤系統正常生態功能的過程。生物修復法花費較少，操作簡單，對技術及設備要求不高，對環境擾動小，符合自然生態發展規律，可體現環境保護的基本理念。因此，生物修復技術已成為土壤污染修復技術的熱點研究領域之一，同時具有廣闊的發展前景。

為了解土壤重金屬污染生物修復領域研究的發展變化過程，識別該領域現階段主要研究方向及重點，分析潛在的研究熱點問題，以ISI Web of Science數據庫為基礎，利用Cite Space數據可視化分析軟件分析論文的重要研究機構、區域及國家分布情況，探討該領域國內外研究差異和熱點等，以期為該領域的研究提供參考。

1 數據來源與研究方法

采用Drexel University陳超美博士開發的基于Java語言的Cite Space軟件（5.1.R8.SE.版本）。Cite Space軟件可對領域檢索文獻的發表和引用情況進行分時段分析，將檢索時間段內的文獻信息以網絡圖譜的形式展示，從而反映該領域在一定時期內的研究基礎及發展趨勢。近年來在信息學、生命科學、技術科學、管理學等領域被廣泛使用[4-6]。

以Web of Science數據庫為檢索工具，設定文獻檢索式：TS=（bioremediation OR phytoremediation） AND TS=（soil AND "heavy metal"），語種：English；文獻類型：Article；檢索時間：1997—2016年。將數據導入Cite Space軟件，并采用數據去重功能，對數據進行可視化處理，對該領域領先研究國家、機構和關鍵詞等進行分析。時間閾值：1997—2016年；節點類型：Country、Institution或Keyword；節點閾值：Top 50；無網絡修剪；其余選項均為默認。

2 結果與分析

2.1 重金屬污染土壤生物修復領域近年來論文總量變化

重金屬污染土壤生物修復技術相關中英文論文發表的檢索結果見圖1。由圖1可知，近10年來，重金屬污染土壤生物修復技術的研究基本呈快速增加趨勢。SCI發文總量由1997年的4篇增長至2016年的194篇，表明世界各國對重金屬污染土壤生物修復的關注度持續增加。我國在該領域的研究起步較晚，搜索年限范圍內最早的SCI論文發表于2003年，但總體發展速度較快（特別是近4年）。其中，我國學者的SCI論文數由2003年的7篇增長至2016年的66篇，在SCI發文總量中的占比不斷增加（從2003年的約19%上升至2016年的約34%）。

2.2 重金屬污染土壤生物修復領域研究力量分布

利用Cite Space對不同國家和機構于1997—2016年在重金屬污染土壤生物修復領域的論文發表量進行對比分析，形成的網絡圖譜（圖2）直觀地展現該領域的研究情況。網絡圖譜的形式為年環圖[7]。年環圖以顏色區分發表時間，以厚度區分發文數量，以一個同心圓代表一個國家或機構，以連線表示共被引。年環和連線從藍色至紅色，分別對應從1997年至2016年。

圖2a為不同國家重金屬污染土壤生物修復領域的SCI論文發表量的網絡圖譜。由圖2可知，該領域研究論文發表量較高的國家依次為中國、美國、印度、西班牙、意大利等，表明這些國家為該研究領域的領先國家。其中，我國是發表

SCI論文量最多的國家，說明我國在該領域的研究已經達到一定水平。從文獻被引頻次看，我國發表的SCI論文的篇均被引頻次（根據 Web of Science 引文報告結果）為14.90次，略高于該領域的篇均被引頻次（14.03次），但在發文量排名前5位的國家中，稍低于西班牙（18.91次）、美國（15.9次），說明國內外研究差別正逐漸縮小，但我國該領域的研究與技術先進國家相比仍存在一定差距。

圖2b為不同機構重金屬污染土壤生物修復領域的SCI論文發表量圖譜。該領域發文量較高的研究機構主要為中國科學院、西班牙國家研究委員會、浙江大學、中山大學和伊朗伊斯蘭阿薩德大學等。我國該領域SCI發文量領先機構主要有中國科學院、浙江大學、中山大學等，以中國科學院最為突出，且近3年來發文數量較高。

該領域研究內容涉及土壤、污染、環境、植物學、微生物等多個方向，因此發文期刊種類較多，代表性SCI期刊主要有International Journal of Phytoremediation、Environmental Science and Pollution Research、Chemosphere、Journal of Hazardous Materials、Water Air and Soil Pollution等。該領域高被引文獻作者主要為ZHOU Q X、LUO Y M、WEI S H、BERNAL M P和WU L H等。

2.3 重金屬污染土壤生物修復領域主要研究方向及研究前沿熱點分析

2.3.1 主要涉及學科領域。梳理與重金屬污染土壤生物修復研究有關的主要學科領域，并分析各個學科領域論文占總SCI論文的百分比情況結果見圖3。由圖3可知，該研究領

域涉及的學科主要有環境科學與生態學、農業科學、工程學、植物科學、生物技術與應用微生物學、水資源、化學、微生物學、生物化學與分子生物學和毒理學等。國際研究中，論文

占比均超過10%的領域有環境科學與生態學（61%）、農業科學（14%）、工程學（12%）和植物科學（10%），體現出重金屬污染土壤生物修復研究與這4個學科領域的關系十分密切。我國重金屬污染土壤生物修復研究與國際研究的主要領域相似，但更集中于在環境科學與生態學（72%）、工程學（15%）、農業科學（13%），但在植物科學（7%）方面的研究相對薄弱，低于國際10%的水平。

2.3.2 主要研究熱點方向。

關鍵詞（Key Words）可表達論文主題，關鍵詞被引用頻次能在一定程度上反映某領域研究者對各研究方向的重視程度。關鍵詞網絡圖譜見圖4。由圖4可見，SCI論文以“phytoremediation”為中心，高被引關鍵詞主要有heavy metal、cadmium、soil、phytoextraction、zinc等（表1）。

根據對全部關鍵詞的分析，可以看出該領域目前主要研究方向為重金屬污染土壤的修復技術和修復機理及其他方向的交叉和集合。

其中，修復技術的研究重點為植物富集、植物提取、聯合螯合劑生物修復技術等。許多研究者開展高富集能力植物的篩選和富集能力的試驗。目前已發現近600種超富集植物，多為十字花科植物[8]。Ebbs等[9]采用模擬重金屬污染土壤的水培介質種植植物的方法，篩選出3種能富集鋅和鉻的芥菜型油菜（Brassica spp），進一步研究表明，通過農藝措施提高植物地上生物量生產和（或）增加根際土壤中重金屬的生物有效性可改善植物對重金屬的富集能力。Ebbs等[10]利用水培篩選能富集重金屬的草本植物，用盆栽試驗對比研究草本植物和之前發現的印度芥菜（Brassica juncea）的鋅富集能力，結果表明大麥的重金屬富集能力和耐受性均不弱于之前發現的印度芥菜，具有良好的土壤修復潛力。

螯合劑理論上能促進土壤固相中重金屬的釋放，提高修復的效率。但添加螯合劑增大了土壤總溶解金屬濃度，改變了植物吸收重金屬的途徑。螯合劑能否促進土壤重金屬植物修復，取決于重金屬種類、植物吸收重金屬的方式。土壤中添加螯合劑勢必會造成重金屬的溶出，甚至可能造成地下水污染。因此，螯合劑強化植物修復作用有限，并對使用場所要求較高[11]。Lombi等[12]研究土壤中施加乙二胺四乙酸（EDTA）對重金屬污染植物修復的影響，結果表明EDTA處理后，土壤孔隙水中的可溶性重金屬主要為金屬EDTA絡合物，植物富集的重金屬有所減少，并可能造成地下水污染的環境風險。Wu等[13]通過溫室盆栽試驗和實驗室柱浸試驗研究螯合劑增強重金屬移動性和植物修復的潛在作用，結果表明EDTA可顯著增強土壤Cu和Pb的遷移率，造成地下水污染的風險，雖然印度芥菜地上部分Cu和Pb濃度有所提高，但去除率有所降低；在土壤中添加草酸、檸檬酸或蘋果酸等螯合劑對印度芥菜的重金屬吸收幾乎無影響。Meers等[14]研究表明可生物降解的螯合劑乙二胺鹽（EDDS）比EDTA更能提高向日葵（Helianthus annuus）修復的效果，并推測螯合劑的施用時機對修復結果有所影響。

機理研究主要集中在開展重金屬形態分布和植物毒理方面。Francesconi等[15]研究一種泰國南部的粉葉蕨（Pityrogramma calomelanos）富集去除土壤中砷的情況和機理，發現該種植物每年能去除土壤中約2%砷，植物體內的砷大部分可以用水溶液進行提取。Ebbs等[16]開展鋅、銅對3種蕓薹屬（Brassica species）植物根莖干重、側根伸長等生長參數的毒性作用，結果表明重金屬抑制鐵和錳積累可能是其負面影響植物生長的一個重要因素。Yang等[17]研究不同濃度鎘對東南景天草（Sedum alfredii Hance）生長的影響，在植株不同部位的分布，對微量元素攝取的影響。

利用Cite Space根據原始網絡（圖譜）計算確定聚類，該領域突變術語聚類網絡圖譜見圖5。每個灰色多邊形為一個聚類，代表一組有聯系的施引文獻的集合。根據LLR算法計算得到聚類標簽，聚類標簽序號越小表示該聚類文獻發表數量以及被引頻次越高。

由圖5可知，該研究領域目前的國際前沿熱點問題，大致可以歸為4類：第一類為高富集能力生物的篩選研究，如高粱、油菜和植物內生細菌[18-19]；第二類為現場試驗研究[20-21]；第三類為修復效果持久性研究[22]；第四類為典型污染物，如鉛[23]。

3 結論

1997—2016年世界各國對重金屬污染土壤生物修復的關注度持續增加，該領域的研究呈快速增加趨勢。我國在該領域的研究起步較晚，發表的論文數量增長速度較快，說明我國研究力度不斷加大，但篇均被引頻次與技術先進國家相比仍存在一定差距。

該領域國內外目前的主要研究方向為重金屬污染土壤修復技術、典型污染物、修復機理及其他方向的交叉和集合。高富集能力生物的篩選研究、現場試驗研究、修復效果持久性研究和典型污染物研究是該領域今后研發的主要熱點和發展趨勢。

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